完美涡旋光束在大气湍流传输中的螺旋相位谱分析

基于Rytov近似,理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式,研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加,经大气湍流传输后的探测概率下降;随着光束波长的增加,经大气湍流传输后的探测概率增加。此外,PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化,而当光束传输到远场时,探测概率随发射处OAM模态变化明显,这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束,其光束半径随发射处OAM模态变化明显。     

复杂含核粒子对贝塞尔波束散射特性的影响

基于面积分方程的矩量法及其快速算法研究了复杂含核粒子对任意入射贝塞尔波束的散射特性.将零阶贝塞尔束的矢量解和坐标系旋转理论相结合,推导出任意入射贝塞尔波束电磁场分量的数学表达式.根据等效原理,建立了求解具有任意形状和复杂内部结构含核粒子散射问题的面积分方程.对贝塞尔波束任意入射下一些复杂含核粒子的散射进行了数值模拟,结果表明:贝塞尔波束入射时的微分散射截面要小于平面波入射时的微分散射截面,且随着半锥角的减小而增大;当波束中心的位置远离粒子中心时,微分散射截面会减小;微分散射截面对波束的入射角非常敏感.这为激光对微粒的探测、诊断以及操纵技术提供有益帮助.     

矢量贝塞尔涡旋波束在均匀单轴各向异性介质中的传输

基于电磁场的矢量波函数展开方法和不同坐标系中矢量波函数转化关系,得到了圆对称矢量贝塞尔涡旋波束的圆柱矢量波函数展开系数;结合电磁场边界条件,获得了圆对称矢量贝塞尔涡旋波束以任意方向照射均匀单轴各向异性介质层的反射场、透射场和内部场的展开系数;数值计算了沿波束传播方向横截面上的入射、反射和透射电场强度分布以及xOz平面内传播路径方向的总电场强度分布。结果表明,圆对称贝塞尔涡旋波束入射单轴各向异性介质的反射场基本保持同心圆环结构,但强度分布不再呈圆对称;透射场出现两束交错折射光,总电场强度轮廓显著扭曲。     

贝塞尔高斯光束在各向异性湍流中的传输特性

采用随机相位屏仿真方法模拟了各向异性大气湍流及贝塞尔高斯涡旋光束在其中的强度分布、在轴闪烁指数和抖动效应,分析了各向异性湍流参数和波源参数对涡旋光束传输质量的影响.结果表明,在各向异性大气湍流中,贝塞尔高斯涡旋光束的强度分布随传输距离的变化情况与离轴距离有关,仅一级圆环处强度值单调递减,其余次级圆环处强度值均呈现先增后降的趋势.在近距离处,贝塞尔高斯涡旋光束的在轴闪烁指数随波形参数的增大而减小,随光束宽度的增大呈现先上升后下降再上升的趋势,该现象与贝塞尔高斯光束的光斑尺寸大小相关;其抖动效应随波形参数、拓扑荷数量、波长和束腰半径的增大而减弱.但在远距离处贝塞尔高斯涡旋光束的闪烁效应和抖动效应随波形参数的影响与近距离处相反,这与贝塞尔高斯光束的展宽突然增大的现象一致.贝塞尔高斯涡旋光束在各向异性湍流大气中的抖动效应小于在各向同性湍流大气中的情况,并且在远距离处大于拉盖尔高斯涡旋光束的抖动效应.     

利用近场MVDR双聚焦波束成形方法实现被动测距

本文分析了近场环境下基于双聚焦波束成形的水下被动测距方法。通过修正MVDR方向矢量,得到了适用于近场环境的MVDR。仿真实验证明近场MVDR双聚焦波束成形测距方法优于普通波束成形和远场MVDR双聚焦波束成形,能明显减小目标距离估计的模糊区域。在相邻两个日标的定位性能上,MVDR双聚焦波束成形技术也比MVDR单聚焦系统体现出更大的优势,能较好地分辨目标。     

基于纯相位空间光调制器和棋盘相格法制备高阶贝塞尔涡旋光束

当前,较为常用的光场复振幅调制方法主要是通过衍射效应来实现的,这造成了能量利用效率普遍较低,为此基于纯相位空间光调制器(SLM)和棋盘相格法在衍射零级实现了高阶贝塞尔涡旋光束的制备。首先,介绍了奈奎斯特光栅和棋盘相格法的基本原理,推导了在衍射零级制备贝塞尔涡旋光束的复振幅调制方法并编码了相应的全息图,分别模拟了通过该方法生成的低阶和高阶贝塞尔涡旋光束的光场分布。其次,基于纯相位SLM搭建了相应的实验光路,分别制备了低阶和高阶贝塞尔涡旋光束。最后,讨论了本文方法的优点和不足。实验结果表明,本文方法制备的高阶贝塞尔涡旋光束的模式纯度虽然不及衍射一级,但却可以将衍射效率提升约4.5倍。     

多模高阶涡旋光的光束漂移实验研究

光束漂移会造成涡旋光功率波动和闪烁,是影响自由空间光通信、传感以及远距离成像的一个重要因素.通过调控多模涡旋态和模拟扰动环境,实验研究了非相干叠加和相干叠加多模涡旋光的漂移现象.通过测量轨道角动量(OAM)谱中信号OAM模式的功率波动和闪烁指数,发现高阶涡旋光束比低阶涡旋光束具有更优的抗功率波动和抗闪烁表现;多模涡旋光...     

超低空目标与粗糙面复合散射的波束追踪算法

根据高频区目标及粗糙面局部表面的散射波束较窄的特征,结合射线追踪及电磁流迭代方法,给出了一种快速计算超低空目标与粗糙面复合多次散射的波束追踪算法,并利用该算法仿真计算了金属平板、球等目标与粗糙面近场复合散射多普勒回波,其结果与多层快速多极子（MLFMM）结果十分符合;同时在造波水池内对金属平板与水面的复合散射开展了测试验证,计算结果与测试数据趋于一致,说明了该算法的有效性．     

贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中的传输特性

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了贝塞尔高斯涡旋光束在湍流大气中传输时系统平均光强的解析表达式,研究了贝塞尔高斯空心涡旋光束在湍流大气中的光强传输特性,同时分析了大气湍流的强弱、涡旋光束的拓扑荷等对光束质量的影响.结果表明:贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时,光强分布经历几个连续的变化,相位奇异性也会在传输过程中消失,该过程与涡旋光束拓扑荷的数目、光束的束腰宽度以及大气湍流的强弱等因素密切相关.拓扑荷数目高的涡旋光束在湍流大气中传输时,其奇异性的保持较拓扑荷数目低的涡旋光束要好.另外,基于桶中功率理论,分析研究了涡旋光束的拓扑荷数目、大气湍流强弱和束腰宽度对贝塞尔高斯涡旋光束在大气湍流中传输时的光束质量的影响.     

时域小波Galerkin法在有耗地面与任意目标复合散射中的应用

采用时域小波Galerkin(WGTD)方法计算了有耗地面与三维目标的复合散射,其中连接边界采用三波法.得到近场数据后,为避免复杂的Sommerfeld积分用互易原理简化了外推过程.计算了地面目标的雷达散射截面,验证了WGTD方法的精度和有效性.与时域有限差分方法相比,WGTD方法具有色散线性好、节省内存、计算速度快等优点. 关键词： 时域小波Galerkin法 复合散射 有耗半空间     

大气湍流下的轨道角动量编码测量设备无关量子密钥分发

基于Kolmogorov及非Kolmogorov湍流模型,分析了大气湍流对光子轨道角动量(OAM)的散射效应,得到了探测端不同OAM模式的概率。分析了两种湍流条件下OAM编码测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)的密钥生成率与最大传输距离。仿真结果表明,当光束在大气信道传输时,光束的径向强度逐渐增大,湍流对光子OAM的散射效应逐渐增强,初始OAM发散为相邻OAM模式并趋于无规则分布,探测端测得初始OAM模式的概率不断减小。大气湍流下OAM编码MDI-QKD的最大传输距离比偏振编码MDI-QKD的长约10km。     

基于衍射深度神经网络的四相OAM相干复用解调实现

针对OAM通信系统中相干OAM复用光束的解调技术，提出了一种基于纯振幅型衍射深度神经网络(D²NN)的OAM相干复用解调实现方法。通过数值实验研究了D²NN解调器对四相OAM相干复用波束的解调性能，使用误码率(BER)对其性能进行了表征。为了降低D²NN解调的误码率，提出了一种改进的OAM选择策略。并与纯相位型D²NN解调器进行性能对比，仿真实验结果表明，该方法对四相OAM相干复用波束具有较高的解复用和解调精度有着明显优势，为OAM相干复用通信提供了一种灵活的实时解调方法。     

基于数字微镜器件超像素法实现散射介质传输矩阵的自参考干涉测量

散射介质的传输矩阵系统描述了散射介质对输入与输出光场之间的变换关系,是研究与控制光在无序介质中传输特性的重要工具.本文使用数字微镜器件实现散射介质传输矩阵的自参考干涉测量,首先利用超像素法实现对入射光的复振幅调制获得同时包含参考光和信号光的复合场,进而基于四步相移法分别测量了散射介质在Hadamard基和轨道角动量(OAM)基下的传输矩阵.进一步,根据相位共轭原理实现了光透过散射介质后的单点聚焦、多点聚焦以及涡旋聚焦,验证了传输矩阵测量的准确性.该方法能够有效提高光场调制的自由度,实现散射介质传输矩阵的测量,对散射环境下的光学成像和光通信等具有潜在应用价值.     

小瓣数贝塞尔声束的二次谐波

采用高斯展开法,研究了具有三个瓣的小瓣数贝塞尔声束的基波和二次谐波的传播性质.根据准线性近似下Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov方程的积分形式解,分析了媒质的声吸收(声衰减)对波束形状的影响.结果表明:吸收参量对二次谐波径向分布有很大的影响.当瓣数较少时,实际的有限孔径贝塞尔声束二次谐波仍然具有理想无限大孔径贝塞尔声束的主要特征,在近场无衍射区,径向几乎无衍射. 关键词： 二次谐波 贝塞尔声束 声吸收 有限孔径声束     

光晶格作用下里德伯冷原子系统中的二维空间光孤子

实现高维光孤子是非线性光学研究中一个长期的目标.本文设计了一个里德伯冷原子与贝塞尔晶格势耦合的系统,发现了一系列稳定的二维空间光孤子簇,包括基极孤子、二级孤子、四级孤子和涡旋孤子.研究表明,光传播系数、非局域非线性系数、贝塞尔晶格常数可以用来调控光孤子的产生、空间分布及演化;在系统参数的调控下,该光孤子簇具备空间稳定性,能够在一定距离内稳定传播.本研究为高维空间光孤子的产生和调控提供了一种新的思路.     

基于高效传输型超表面轨道角动量涡旋波束的产生

应用高效传输型超表面,构造了一种可控相位的传输透镜,以标准角锥喇叭发出的准球面波照射,产生携带不同拓扑荷值的涡旋场波束。所用超表面在大于10%带宽范围内能实现大于90%的传输效率和进行3 bit以上的相位调制。通过补偿相位公式的理论推导,对超表面进行设计,得到30 GHz的高效率传输型超表面产生的携带轨道角动量(OAM)的高阶涡旋波束。利用全波仿真对所提出的方案进行验证,得到了与理论相符合的结果。     

目标激光脉冲一维距离成像研究

根据激光雷达方程及粗糙面脉冲波束散射理论,提出了目标激光脉冲后向散射回波功率即激光一维距离像的计算表达式,并获得斜板、球和圆锥一维距离像的具体形式.数值计算结果与粗糙平板和圆锥激光脉冲回波强度实验数据比较,两者符合良好.数据分析表明,激光一维距离像曲线能够较好反映目标的纵向几何外形信息.我们着重讨论了入射激光脉冲宽度与目标径向尺寸对距离像的影响.上述研究可为激光波段的目标特征提取和识别提供理论依据.     

随机Gauss粗糙面上三维导体目标散射差场的随机泛函解析计算方法

提出一种解析的随机泛函方法(SFA),计算导体Gauss粗糙面上三维导体目标的复合电磁散射.推导粗糙面的随机Green函数,用一种新的四路径模型描述面体复合散射机理,用SFA求解双站差场雷达散射截面.以导体球目标为算例,与其他数值计算方法比较后验证了SFA的有效性与准确性,同时讨论了粗糙度、体目标尺寸以及距离粗糙面高度等参量变化对结果的影响,给出复杂形状体目标的双站差场雷达散射截面的空间角分布. 关键词： 随机泛函方法 粗糙面随机Green函数 差场雷达散射截面 面体复合散射     

高阶贝塞尔-高斯脉冲光束相位奇点的演化

 推导出被光阑衍射高阶贝塞尔-高斯脉冲光束的场和光强分布的解析公式,对其相位奇点的演化特性做了计算和分析。结果表明,高阶贝塞尔-高斯脉冲光束经光阑衍射后,中心光涡旋始终存在,拓扑电荷守恒。随脉冲频率和脉冲宽度增加,等相位线均沿逆时针方向旋转,涡旋核随脉冲频率增加而减小,而脉冲宽度对涡旋核大小几乎无影响。等相位线随截断参数和传输距离的增加分别沿逆时针和顺时针方向旋转,涡旋核大小随截断参数增加而变化,随传输距离和光束阶数的增加而增大。     

弱散射体产生的菲涅耳极深区散斑场相位涡旋演化的实验研究

实验提取了弱散射体产生的菲涅耳极深区的散斑场.发现当散射距离一定时,弱散射体光场的相位分布特征随散射体的粗糙度的变化而变化;对于某一弱散射体,相位分布特征随散射距离的变化而变化;当弱散射体的粗糙度大到一定程度时,才产生相位涡旋现象;散射体表面上存在相位涡旋;弱散射体产生的相位涡旋的密度随散射屏粗糙度的增大而增大,还随散射距离的增大而增大.研究结果对于认识弱散射体的相位及相位涡旋分布特征随粗糙度和散射距离的演化具有重要意义,而且对于认识散斑场随散射距离的演化有一定的帮助.